научная статья по теме ЗАКОНОМЕРНОСТИ РЕЛАКСАЦИИ СЕЙСМИЧЕСКОГО РЕЖИМА ПО НАТУРНЫМ И ЛАБОРАТОРНЫМ ДАННЫМ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ЗАКОНОМЕРНОСТИ РЕЛАКСАЦИИ СЕЙСМИЧЕСКОГО РЕЖИМА ПО НАТУРНЫМ И ЛАБОРАТОРНЫМ ДАННЫМ»

ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2004, № 10, с. 26-36

УДК 550.34.01+550.348.433

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РЕЛАКСАЦИИ СЕЙСМИЧЕСКОГО РЕЖИМА ПО НАТУРНЫМ И ЛАБОРАТОРНЫМ ДАННЫМ

© 2004 г. В. Б. Смирнов1, А. В. Пономарев2

1Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова 2Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва Поступила в редакцию 26.04.2004 г.

Афтершоковые последовательности землетрясений обладают характерными статистическими закономерностями. Спад интенсивности потока афтершоков во времени подчиняется степенному закону Омори, по мере затухания афтершоковой активности наклон графика повторяемости Ь увеличивается, а фрактальная размерность множества гипоцентров й уменьшается. Природа афтершоко-вых последовательностей традиционно связывается с релаксацией сейсмического режима, "возбужденного" главным событием. Анализ результатов лабораторного моделирования релаксационных процессов при разрушении образцов горных пород показал, что те же статистические закономерности релаксации наблюдаются и при других способах возмущения режима разрушения, когда очаг главного события отсутствует. При ступенчатом нагружении образца (когда его деформация резко увеличивается, а затем поддерживается постоянной) после каждой ступеньки также возникают последовательности акустических событий, аналогичные афтершоковым последовательностям. Локация времени и положения источников акустических событий в опытах позволила исследовать характер последовательностей акустических событий. Оказалось, что они обладают теми же свойствами, что и афтершоковые последовательности землетрясений: спад активности по закону Омори, увеличение Ь и уменьшение й. Полученные результаты свидетельствуют, что наличие главного события не является необходимым условием формирования релаксационных процессов, подобных афтершоковым последовательностям. Такие процессы, вероятно, возникают при внезапном изменении в некоторой области среды поля напряжений, релаксация которого характеризуется указанными выше особенностями переходного режима сейсмичности. Характерные для сейсмичности главные события являются лишь одним из возможных источников локального возмущения поля напряжений.

ВВЕДЕНИЕ

Анализ релаксационных процессов занимает важное место в изучении природы формирования и эволюции сейсмического режима. Сейсмичность обладает определенной структурой, которая формируется в ходе геодинамических процессов в геофизической среде и является, по-видимому, самоорганизующейся. Сейсмический процесс охвачен действием различного рода обратных связей, формирующих и регулирующих эволюцию сейсмичности. Выявить и изучить эти связи в стационарном режиме трудно, поскольку фоновые вариации сейсмичности невелики, и природа их обычно плохо известна. Релаксационные процессы являются откликом системы на достаточно сильное воздействие, выводящее ее из стационарного состояния. Их исследование дает возможность прояснить характер и особенности тех ключевых свойств среды и механизмов, которые управляют динамикой сейсмичности.

В то же время возможности значительного (соизмеримого с энергией сейсмического процесса) контролируемого воздействия на геофизическую среду сильно ограничены и, как правило, нам

приходится довольствоваться пассивным наблюдением. Исключение составляют, по-видимому, ядерные взрывы и "горячие" МГД-пуски в сейсмоактивных районах, но их использование в целях исследования сейсмического режима ограничено расположением соответствующих полигонов, поверхностным характером источника и причинами технологического и экономического характера. В связи с этим особенный интерес представляет изучение реакции сейсмичности на естественные возмущения.

Иерархическое самоподобие геофизической среды и связанное с ним самоподобие сейсмического режима, выявленное в работах М.А. Садовского и его учеников, свидетельствует об определенном "согласии" разномасштабной сейсмичности в достаточно большой области среды (много большей, чем размер очага сильнейшего землетрясения). Такая квазистационарная, фоновая ситуация нарушается, однако, в локальной пространственно-временной области очага землетрясения. После землетрясения более мелкие структурные элементы среды, расположенные в его очаговой области, оказываются в возмущенном состоянии. Релаксационные процессы воз-

вращения среды в фоновое (исходное или новое) состояние отражаются, в частности, в афтершо-ковых последовательностях, исследование которых позволяет судить об особенностях этих процессов.

Афтершоки обычно отличаются от главного события не менее, чем на полторы-две единицы магнитуды. В пересчете на энергию это соответствует примерно двум-трем порядкам, а в пересчете на размер очага дает коэффициент 5-10. Таким образом, сильнейшие афтершоки отличаются от главного события на один-два уровня иерархии неоднородностей геофизической среды, а более слабые афтершоки - на несколько уровней. Это обстоятельство определяет требования к динамическому диапазону системы наблюдений - он должен быть достаточным для представительного наблюдения нескольких уровней иерархии сейсмических событий. Применительно к сейсмическим сетям это условие сводится к требованию достаточно низкой представительной магнитуды. В ряде регионов уровень развития сетей удовлетворяет (особенно в последние 10-15 лет) этому положению, что и определяет исходную фактическую базу для современных исследований закономерностей развития афтершоковых последовательностей.

Результаты статистических исследований сейсмического режима афтершоков выявили ряд ключевых, на наш взгляд, проблем. В частности, не ясно, в какой мере закономерности афтершоковых последовательностей определяются особенностями очага главного события, а в какой - собственно свойствами геофизической среды и развивающихся в ней физических процессов; в какой мере существенны геометрические (структура разломов, неоднородностей) и механические свойства среды, и какова роль других ее физических характеристик (например, влияния флюидов). Целью настоящего исследования было прояснить в какой-то мере эти вопросы. Для этого мы попытались сопоставить статистические закономерности афтершоковых последовательностей с закономерностями акустического проявления релаксационных процессов, наблюдавшихся в лабораторных экспериментах по разрушению горных пород. В условиях лаборатории мы гораздо больше знаем о свойствах среды и источнике возмущения, по сравнению с натурными условиями, а представления о самоподобии процесса разрушения геофизической среды позволяют надеяться, что полученные в лаборатории результаты будут в некоторой степени сходны с натурными.

СТАТИСТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ АФТЕРШОКОВЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ

Исследования статистических закономерностей афтершоковых последовательностей разнородны и пока далеки от завершения и надежного, общепринятого обобщения [Арефьев, 2003]. В этом разделе мы обсудим те закономерности афтершокового режима, которые мы будем сопоставлять с особенностями акустического режима в лабораторном эксперименте. Эти закономерности выражают тенденции и свойства сейсмичности в переходном режиме. Они установлены в различное время и с различной степенью общности и надежности.

ЗАКОН ОМОРИ

Наиболее надежной статистической закономерностью афтершоковых последовательностей можно считать закон Омори, согласно которому спад афтершоковой активности во времени происходит по степенному закону [Ustsu, 2002]. В модифицированном виде он представляется как: An/Ai = k(t + c)-p, где t - время, прошедшее после главного события, An/At - интенсивность потока афтершоков. В научной печати обсуждается возможность аппроксимации спада афтершоковой активности экспонентой (см., например, [Ogasawara, 2002; Ромашкова, Кособоков, 2001; Прозоров, Ис-кендеров, 1987]), однако этот вариант применительно к сейсмичности, как правило, отклоняется. В работе [Utsu et al., 1995] на основе анализа опубликованных данных оценен диапазон возможных значений параметра p: 0.6 < p < 2.5. Возможную природу изменчивости этого параметра авторы связывают с особенностями структуры, поля напряжений и теплового режима регионов.

Вопрос о природе второго параметра c в модифицированном законе Омори исследован очень мало. Этот параметр изначально был введен для того, чтобы избежать особенности степенной функции в нуле. Он соответствует характерному времени, в течение которого афтершоковая активность выходит на степенной спад. Является ли это время физически обусловленным или "полка" в зависимости An/At от времени при t < c образуется вследствие рефрактерности сети (перегруженности сети большим потоком землетрясений и, соответственно, пропуском части из них) пока окончательно не ясно. Лишь в некоторых работах отмечается, что начальная фаза афтершоков, охватывающая первые несколько суток после главного события, отличается от последующей стадии не только характером спада активности, но и особенностями временной и пространственно-временной структуры сейсмичности [Смирнов, Люсина, 1990; Люсина, Смирнов, 1993; Marsan, Bean, 2003].

N10, год

-1

101

100

10

1-1

- фрактальная~размфнЬсть~ли^ "коДа-волн

( - фрактальная размерность активных разломов фрактальная размерность фоновой сейсмичности (по эпицентрам)

_I_I_I_I_I_1_1_I_I_I_I_I_I_I_1_1_I_I_I_I_I_1_

-А- 1

-■-4

0.5

0.4

0.3

0.2

(

2.7 2.5 2.3 2.1 1.9 1.7 1.5 1.3

10°

101

102 г, сут

Рис. 1. Статистические характеристики сейсмического режима афтершоков Рачинского землетрясения 29.04.94 на Кавказе (М = 6.9) [Смирнов, Феофилактов, 2000]. По оси ординат отложено время, прошедшее после главного события. 1 и 2 - фрактальная размерность множества гипоцентров и эпицентров афтершоков, соответственно, 3 - интенсивность Ию потока событий десятого энергетического класса, 4 - наклон графика повторяемости Ь.

НАКЛОН ГРАФИКА ПОВТОРЯЕМОСТИ И ФРАКТАЛЬНАЯ РАЗМЕРНОСТЬ МНОЖЕСТВА ГИПОЦЕНТРОВ АФТЕРШОКОВ

Наклон графика повторяемости в афтершоко-вых последовательностях как правило в среднем ниже, чем для фоновой сейсмичности, что указывает на большую долю сильных событий в афтер-шоковых последовательностях. Это уменьшение на наш взгляд имеет физическую причину, хотя

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком